增材制造系统和方法与流程

本申请是于2015年8月17日提交的题为“Additive Manufacturing Systems and Methods(增材制造系统和方法)”的美国临时专利申请No.62/206,139的非临时美国专利申请，该申请的全部内容为了所有目的通过引用的方式并入本文中。

技术领域

本公开总体上涉及增材制造，并且更具体地，涉及用于连接不同材料的增材制造系统和方法。

背景技术：

各种制品可以纳入具有不同材料的部件。如可以理解的那样，不同材料的制品可以通过紧固件、配合的几何形状、焊接或其他工艺结合在一起。紧固件或互补的几何形状会增加连接处的部件或重量。使用金属的三维增材制造可能有益于以受控且精确的方式形成耐用的部件。遗憾的是，这种工艺可能是复杂的且昂贵的。

技术实现要素：

在一个实施例中，一种增材制造系统，包括：增材制造工具，被配置成接收金属锚固材料并且向工件供应焊丝；以及机械振动系统，被配置成使焊接工具的结构部件朝着工件和背离工件机械地振动，并且其中所述机械振动系统包括电动机以及与所述电动机连接的机械连杆组件，其中所述机械连杆组件固定地附接至所述结构部件。

在另一个实施例中，一种系统包括：焊接工具，被配置成接收焊丝并且向部件供应多个液滴，其中所述多个液滴中的每个液滴包括所述金属锚固材料；以及机械振动系统，被配置成使所述增材制造工具的结构部件朝着部件和背离部件振动，其中所述机械振动系统包括电动机和机械连杆组件，其中所述机械连杆组件被固定地附接至所述结构部件。

在另一个实施例中，一种方法包括：将被配置成接收焊丝的衬套固定在结构部件上；使所述结构部件朝着工件和背离工件振动；并且在所述工件上沉积一部分所述焊丝。

附图说明

当参考附图阅读以下具体实施方式时，会更好地明白本公开的这些和其他特征、方面和优点，在整个附图中，附图中相似的附图标记代表相似的零件，其中：

图1是增材制造系统和部件的实施例的简图；

图2是增材制造系统和部件的实施例的简图；

图3是具有一体式工具头的增材制造系统的实施例的简图；

图4是增材制造系统的机械振动系统的示意图；

图5是示出焊条的行进过的距离相对于时间的曲线图；

图6A是增材制造系统的衬套和焊条的示意图；

图6B是增材制造系统的衬套和焊条的示意图；并且

图7是增材制造系统的机械振动系统的立体图。

具体实施方式

以下将描述本公开的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明描述，在说明书中可能未描述实际实施方式的所有特征。应理解，在任何这些实际实施方式的开发中，比如在任何工程或设计项目中，必须做出许多针对实施方式的决策以达成开发者的具体目标，诸如符合系统相关和商业相关的约束，这些目标可能在各实施方式之间彼此不同。此外，应理解，这些开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员而言将仍然是设计、生产和制造的例行任务。

转向图1，增材制造系统10(例如，焊接系统)的一个实施例从一种或多种锚固材料14增材地形成(例如，印刷、构建)部件12。增材地形成的部件12可以是第一工件16、第二工件18或者第一工件16与第二工件18之间的接合处或者其任何组合。在一些实施例中，第一工件16和第二工件18可以具有不同的材料，所述不同的材料具有显著不同的物理性质。例如，在一个实施例中，第一工件16可以是铝并且第二工件18可以是钢。增材制造工具20(例如，焊接工具)沉积多个液滴22以形成(例如，印刷、构建)一种或多种锚固材料14的部件12。在一些实施例中，增材制造工具20将液滴22沉积在第一工件16与第二工件18之间。如以下更详细地描述的，增材制造工具20可以利用一种或多种类型的能量来形成和沉积液滴22从而形成部件12。增材制造工具20所利用的一种或多种类型的能量可以包括但不限于电力输出、光子能量(例如，激光)或者其任何组合。在部件12为第一工件16与第二工件18之间的接合处的情况下，增材制造工具20利用能量经由部件12将第一工件16与第二工件18结合在一起。

增材制造工具20加热来自送料器24的一种或多种锚固材料14以形成具有期望成分的液滴22。在一些实施例中，增材制造工具20的混合器26被配置成接收并混合来自送料器24的一种或多种锚固材料14。例如，混合器26可以将多种锚固材料14组合成具有锚固材料14的期望组合的焊条28。在一些实施例中，混合器26可以形成多种锚固材料14的粉末混合物。焊条28和/或粉末混合物可以被形成为液滴22。一种或多种锚固材料14是金属材料，其包括但不限于铝合金、钢合金、铝、铁、铜、锰、硅、镁、锌、铬、钛、钼和镍。如本文所论述的，液滴22是材料转移的单元。每个液滴22在固化时可以变成“微沉积物”，并且部件12由多个微沉积物30形成。图2示出将锚固材料14(例如，焊条28)引入至微沉积物30的熔池32中从而形成部件12的增材制造工具20的实施例。锚固材料14在被插入到熔池32中时可以处于近似环境温度或预加热的温度下。锚固材料14的一部分34(例如，球)由熔池32熔化，由此形成部件12的微沉积物30而不会形成所定义的液滴22。例如，锚固材料14的预加热的部分34可以加入到熔池32，由此通过热丝焊接工艺形成部件12的微沉积物30。如可以理解的，熔池32可以是部件12尚未固化的新近形成的部分。施加到用于熔化部分34的熔池32的能量包括但不限于电阻加热、光子(激光)能量、等离子或感应加热。

返回到图1，一种或多种锚固材料14可以包括但不限于粉末、实心焊丝、药芯焊丝、管状焊丝或涂层焊丝或者其任何组合。在一些实施例中，第一锚固材料36大体上可以是第一工件16的材料，并且第二锚固材料38大体上可以是第二工件18的材料。换言之，第一锚固材料36和第二锚固材料38可以具有大体上与相应的第一工件16和第二工件18类似或者相容的化学成分。例如，第一锚固材料36相对于第一工件16的材料可以仅具有较小差异(例如，仅相差成分百分比的甚小部分的元素成分、来自相同合金族的不同合金)。在一些实施例中，锚固材料14可以包括但不限于具有比第一工件16和/或第二工件18的材料更低的熔化温度的硬钎焊或软钎焊材料。具有比第一工件16或第二工件18更低的熔化温度的锚固材料14可以使得在施加一种或多种锚固材料14时与第一工件16或第二工件18的材料相邻的微沉积物30的层不会熔化。增材制造系统10的一些实施例可以包括多于两种锚固材料14，诸如3种、4种、5种、6种、7种、8种、9种、10种或更多种锚固材料14。例如，可以将第三锚固材料40供应到增材制造工具20。第三锚固材料40可以具有大体上与第一工件16的材料或第二工件18的材料类似的化学成分。额外地或可替代地，第三锚固材料40可以具有一种合金材料的化学成分，该合金材料的化学成分在第一锚固材料36与第二锚固材料38之间提供期望的性质(例如，附着性、增加的或减少的流动性)，和/或第三锚固材料40的化学成分可以为部件12提供期望的性质(例如，强度、硬度、电防腐)。

增材制造系统10的控制器42控制液滴22的施加以从微沉积物30形成部件(例如，锚固物)12。在某些实施例中，控制器42可以是具有单个控制器的单个控制系统，或者控制器42可以包括多个控制系统或控制器。例如，控制器42的多个控制系统可以被配置成调节增材制造系统10的不同部件或系统，和/或多个控制系统可以对控制器42的单个中央控制器作出响应。在具有线连接的锚固材料14(例如，焊丝)的一些实施例中，控制器42通过调整被供应到增材制造工具20的混合器26(由此形成焊条28)的一种或多种锚固材料14的相对量来控制被施加到部件12的液滴22的成分。例如，在第一锚固材料36大体上与第一工件的材料类似或相容的情况下，控制器42可以增加焊条28中的第一锚固材料36的相对比例以在第一工件16附近形成(例如，印刷)部件12的一些部分。如本文所论述的，每个液滴22的成分是基于构成各自液滴22的一种或多种锚固材料14。液滴22至少部分地是液体(例如，熔化的)。在一些实施例中，液滴22可以是液体锚固材料14，其裹住相同或不同的锚固材料14的固体元件。例如，增材制造工具20可以至少部分地仅熔化液滴22的外层。

增材制造工具20可以通过混合器26将多种锚固材料14混合(例如，熔化、烧结、压紧)成具有混合成分的焊条28。控制器42可以控制增材制造工具20以从混合焊条28形成具有混合成分的液滴22。控制器42可以通过改变混合焊条28中的一种或多种锚固材料14的比例来调整部件(例如，锚固物)12的成分。在一些实施例中，增材制造工具20将一种或多种锚固材料14中的每一种作为单独的焊条28供应，增材制造工具20分别将所述单独的焊条形成为液滴22。例如，控制器42可以控制增材制造工具20以从多个焊条28中的每一个焊条形成具有不同的相应成分的单独液滴22。控制器42可以通过改变作为液滴22施加到部件12的一种或多种锚固材料14的比例来调整部件12的成分。

在一些实施例中，控制器42连接到多个增材制造工具20，每个增材制造工具20通过相应的焊条供应单独的锚固材料14。控制器42可以控制多个增材制造工具20中的每一个，以便通过改变由每个增材制造工具20作为液滴22供应的锚固材料14的比例来调整部件12的成分。如图3中所示，可以将多个焊丝传递系统(例如，送料器24)与制造工具的一体式工具头44组合以将多种锚固材料14成排地或网格状地被供应。一体式工具头44可以增加锚固材料14的沉积速率以形成(例如，印刷、构建)部件12。增材制造工具20的一体式工具头44可以具有多个混合器26以接收锚固材料14并将其处理成为焊条28和/或粉末流。控制器42可以控制每个混合器26，以使得每个焊条28和/或粉末流具有相同的成分。在一些实施例中，控制器42控制一个或多个混合器26，以使得相应的焊条28或者粉末流具有与来自另一个混合器26的焊条28或粉末流不同的成分。一体式工具头44可以使得增材制造工具20能够大致同时地形成部件的多个层46，由此通过减少增材制造工具20为了形成部件12的工序数量来实现减少部件12的制造时间。大体上由固化的微沉积物30形成的部件12的第一层48以网格39被示出。部件12形成在第一层48与第三层52之间的第二层50的微沉积物30可以比第一层48的微沉积物30更热，但被充分地固化以支撑第三层52的沉积液滴22并与其粘合。控制器42通过增材制造工具20控制液滴22的沉积速率和层46的形成速率以使得每个层能够与先前形成的层46粘合。例如，控制器42可以在增材制造工具20构建部件12时降低沉积速率或层形成速率。

再次返回到图1，控制器42控制电源54(例如，电流受到调节的电源)以调整被提供给增材制造工具20的电力输出(例如，电流输出、电压输出、光子能量)以便将一种或多种锚固材料14熔化为液滴22。如可以理解的，电源54可以包括但不限于发动机驱动的发电机、焊接电源、逆变器、激光器或者其任何组合。在电源54为焊接电源的实施例中，控制器42可以基于操作状态，例如焊接操作的状态，来调节电源54的操作(例如输出电力的电压水平和/或电流水平)。例如，控制器42可以基于焊接操作处于电弧状态还是短路状态来调节电源54的操作。

控制器42可以控制电源54以将DC或AC电力输出以受控波形的方式提供给焊条28，这类似于脉冲焊接工艺或短路焊接工艺(例如，受调节的金属沉积(RMDTM))。在一些实施例中，控制器42控制电源54和/或送料器24以将电力输出通过增材制造工具20提供给焊条28，从而实现改进的短路焊接工艺(例如，受控制的短路)以形成部件12。另外，控制器42通过控制增材制造工具20在受控制的短路焊接工艺期间使一个或多个焊条28伸长和缩回来促进部件12的形成。被提供给增材制造工具20的电力输出将焊条28熔化为液滴22，液滴通过电弧作为微沉积物30沉积到部件12。也就是说，在一些实施例中，焊条28是焊丝，增材制造工具20是被配置成用于脉冲焊接工艺或短路焊接工艺的焊炬(例如，焊接工具)，并且送料器24是焊丝送料器。焊炬可以通过电弧来将微沉积物30分层，由此通过脉冲焊接工艺和/或短路焊接工艺(例如，RMD)从焊丝形成(例如，构建、印刷)部件12。如可以理解的，增材制造系统10的一些实施例可以包括供气源56，该供气源56被配置成将一种或多种保护气体提供给增材制造工具20。一种或多种保护气体可以包括但不限于氩气、二氧化碳、氦气、氮气、氢气或者其任何组合。该系统可以被配置成包括助熔剂输送系统，该助熔剂输送系统被配置成提供一种或多种助熔剂。这些助熔剂具有不同的成分以提供不同的最终产物，特别是，冶金产物。

如以上所论述，控制器42可以控制用于使用电弧和/或光子能量来加热焊条28的工艺的电力输出。控制器42可以通过控制电源54来控制液滴22被施加到部件12的速率。在一些实施例中，控制器42控制加热设备58(例如，感应线圈、电阻加热器)来预加热焊条28。因此，控制器42可以控制施加到焊条28以形成液滴22的热量。附加地或可替代地，加热设备58、60、62可以分别实现对焊条28、第一工件16和/或第二工件18的预加热或后加热。对焊条28进行预加热可以减少被施加到第一工件16和第二工件18的热量，由此减少热影响区的形成。

作为微沉积物30添加到部件12的液滴22影响被加至第一工件16和第二工件18的热量。微沉积物30的形成可以包括但不限于加热锚固材料14(例如，焊条28)以形成液滴22以及在部件12中冷却微沉积物30。如可以理解的，液滴22的热量和微沉积物的冷却速率可以影响由相应的液滴22形成的微沉积物30的微结构，由此影响部件12的性质。例如，部件12在第一位置64处的微沉积物30的微结构可以与在第二位置66处的微沉积物30的微结构不同。另外，如本文所论述，每个液滴22到部件12的施加可以包括但不限于液滴22到部件12的施加速率和每个微沉积物30在部件12上的施加位置。控制器42可以控制液滴22的温度、每个液滴22的施加(例如，沉积)速率和施加位置，以控制施加到工件16、18的热量。例如，控制器42可以减少热影响区(HAZ)的诱发，该热影响区(HAZ)可能影响接近部件12的工件16、18的微结构和性质(例如，强度，疲劳寿命)。部件12中的液滴22的温度、沉积速率和施加位置影响被加至第一工件16和第二工件18的热量。例如，2000℃的电弧与1200℃的电弧相比而言将提供更多热量到部件12。如可以理解的，液滴22的高沉积速率(例如，60Hz)与液滴22的相对较低沉积速率(例如，30Hz)相比而言可以将较少热量提供到部件12。此外，在第一工件16上的第一位置64处施加的液滴22与在第一工件16上的第二位置66处施加的液滴22相比而言将较多热量提供到第一工件16。在一些实施例中，控制器42控制加热设备58以影响部件12中的微沉积物30的施加温度，从而影响被加至第一工件16和第二工件18的热量。控制器42可以控制送料器24和/或混合器26以控制施加速率，并且控制器42可以控制电源54以控制作为部件12中的微沉积物的液滴22的施加速率和施加温度。在一些实施例中，被连接到增材制造工具20的机器人系统68可以通过经由一个或多个伺服电机69将增材制造工具20沿坐标轴70移动来控制液滴22的施加位置。

以与控制施加到工件16、18的热量类似的方式，控制器42可以控制液滴22的温度、每个液滴22的施加速率和施加位置，以控制施加到先前施加的微沉积30物的热量。例如，液滴22的施加速率和温度可以影响先前施加的微沉积物30的冷却速率和微结构。控制器42可以控制液滴22的施加速率和温度以实现用以形成部件12的每个微沉积物30的期望的微结构。因此，控制器可以控制部件12的微沉积物30的成分和/或微结构。

在一些实施例中，第一加热设备60可以加热部件12附近的第一工件16，和/或第二加热设备62可以加热部件12(例如，接合处)附近的第二工件18。第一加热设备60和第二加热设备62可以包括但不限于感应线圈、电阻加热器、火焰器等。第一加热设备60和第二加热设备62可以与相应的第一工件16和第二工件18的一个或多个表面相互作用。例如，第一加热设备60可以围绕第一工件16延伸。控制器42可以控制第一加热设备60和/或第二加热设备62以预加热部件12附近的相应工件16、18。如可以理解的，预加热工件16、18可以影响来自增材制造工具20的微沉积物30的黏合力。例如，增加第一工件16的温度可以增加微沉积物30在第一位置64处的黏合力。在一些实施例中，控制器42独立地控制第一加热设备60和第二加热设备62，由此使得第一工件16能够被预加热到与第二工件18不同的温度。

如先前所论述的，第一工件16可以与第二工件18不同。例如，第一工件16可以是铝，并且第二工件18可以是钢。在一些实施例中，第一工件16和第二工件18可以是具有相同基本金属(例如，铝、钛、铁、镀锌涂层材料、高强度钢)的相同或不同成分。例如，第一工件16可以是镍涂层钢，并且第二工件18可以是相对高碳钢。第一工件16可以具有与第二工件18不同的性质和/或结构。例如，在第一工件16与第二工件18之间，熔化温度、导热性和强度以及其他性质可以不同。附加地或可替代地，第一工件16和第二工件18可以具有不同的热敏感度。例如，第一工件16可以在第二工件18的熔化温度下被退火。因此，将第一工件16退火(例如，通过将其加热到第二工件18的熔化温度)可能影响第一工件16的性质(例如，强度、疲劳寿命)。

如可以理解，本文可以将金属的热影响区(HAZ)定义为其中金属的性质和/或微结构已经受到热影响的金属的区域。在一些实施例中，控制器42可以独立地控制被施加到焊条28的热量、被施加到第一工件16(例如，通过第一加热设备60)的热量和被施加到第二工件18(例如，通过第二加热设备62)的热量。通过对施加到这些部件的热量的独立控制，增材制造系统10可以减少第一工件16和/或第二工件18的HAZ。例如，如果第一工件16是铝并且第二工件18是具有比第一工件16更高的熔化温度的钢，则控制器42可以控制增材制造工具20，从而以比第一工件16(例如，铝)附近的液滴22更多的热量和/或更高的速率将液滴22施加在第二工件18(例如，钢)附近。

在增材制造工具20在第一工件16与第二工件18之间移动时，控制器42可以控制被施加以通过微沉积30构建部件12的每个液滴22的成分和形成。以此方式，增材制造工具10可以控制部件12的成分和结构(例如，微沉积物30的空间分布)以使其具有期望的一组性质，同时控制第一工件16和/或第二工件18的HAZ。传感器72可以测量焊条28、第一工件16和/或第二工件18的温度和冷却速率。来自传感器72的反馈可以被存储作为焊条28、第一工件16和/或第二工件18的温度历史。控制器42可以使用此温度历史来控制部件12的成分和结构。在一些实施例中，传感器72可以测量增材制造工具20、第一工件16和第二工件18相对于这组坐标轴70的位置。控制器42可以至少部分地基于与第一工件16和/或第二工件18的相对距离来控制液滴22到部件12的施加。例如，在一些应用中，部件12可以被形成为具有第一锚固材料36和第二锚固材料38的渐变成分，从而使得与第一工件16相邻的部件12的成分与第一工件16相容(例如，形成强粘合)，并且使得与第二工件18相邻的部件12的成分与第二工件18相容(例如，形成强粘合)。

控制器42可以至少部分地基于部件12中的施加位置来独立地控制每个微沉积物30的热循环、峰值温度和冷却速率。控制器42可以根据由处理器74执行的一组指令(例如，代码)来独立地控制对于该施加位置的每个液滴22的成分和形成。处理器74可以至少部分地基于工件16、18和锚固材料14来从存储器76加载一组指令。在一些实施例中，操作者(例如，主计算机)可以将一组指令通过操作者界面78直接提供给控制器42。例如，操作者可以从由三维3D CAD工具产生的锚固物的三维模型(例如，计算机辅助设计(CAD)模型)加载用于形成部件12的一组指令。在一些实施例中，控制器42可以接收和/或产生一组指令来生产具有期望成分的锚固材料14的部件12。例如，控制器42可以使用部件12的3D CAD模型来控制机器人系统68生产来自锚固材料14的部件12。附加地或可替代地，操作者可以将关于工件16、18和锚固材料14的信息输入到操作者界面78中，并且控制器42可以确定和/或修改这组指令以形成具有期望特征的部件12。这组指令引导控制器42控制作为微沉积物30的每个液滴22的成分、形成和施加以形成具有期望特性的部件12。

控制器42可以使用来自传感器72的输入以单独地控制作为微沉积物30施加到部件12的每个液滴22。在一些实施例中，控制器42可以至少部分地基于来自传感器72的输入来修改一组指令，以补偿对第一工件16、第二工件18或部件12的改变。例如，如果来自传感器72的输入指示第一工件16与第二工件18之间的接合处的配合的改变，则控制器42可以在部件12的形成期间修改液滴22的施加位置和/或加热。附加地或可替代地，如果来自传感器72的输入指示第一工件16和/或第二工件18的扭曲或烧穿，则控制器42可以修改液滴的施加和/或加热。如果来自传感器72的输入指示第一工件16和/或第二工件18的扭曲或烧穿，则控制器42可以在部件12的形成期间修改第一工件16的温度和/或第二工件18的温度(例如，通过加热设备60、62)。

增材制造系统10可以通过增材制造工具20的手动或自动移动而在第一工件16与第二工件18之间构建部件12。在一些实施例中，液滴22可以通过电弧(例如，喷射)来沉积，如图1中所示。在一些实施例中，如图2中所示，焊条28接触工件和/或部件12，并且增材制造工具20通过短路施加相应的微沉积物30。在一些实施例中，操作者通过致动扳机80来开始或重新开始构建部件12。控制器42通过传感器72确定增材制造工具20相对于工件16、18的位置，并且控制器42在根据一组指令来形成所需成分的液滴22之前确定微沉积物30的施加位置。在一些实施例中，机器人系统68诸如通过伺服电机69控制增材制造工具20沿坐标轴70的移动。控制器42可以通过这组指令来控制机器人系统68以移动增材制造工具20，从而基于这组指令将受控制的液滴22作为微沉积物30施加到部件12中的相应位置。机器人系统68由此使得控制器42能够自动地形成具有期望成分和几何形状的部件12。在一些实施例中，机器人系统68可以从与工件16、18不同的一种或多种锚固材料14形成(例如，印刷，构建)部件12。所形成的部件12稍后可以与工件16、18结合在一起。

在某些实施例中，制造工具20的一体式工具头44可以被配置成机械振动(即，背离和朝向熔池32地上下移动)以进一步提供液滴22在部件12上的沉积。换句话讲，焊条28和围绕焊条28布置的衬套100延伸穿过的一体式工具头44可以振动以使焊条28和衬套100朝着和背离熔池32移动。在图4中，机械振动系统102被图示为与一体式工具头44连接。机械振动系统102包括与一体式工具头44连接的机械连杆组件。在图示的实施例中，机械连杆组件包括：活塞104，连接至或固定地附连至一体式工具头44(例如，经由销106)；凸轮108，连接至活塞104；以及电动机110，被配置成驱动凸轮108的旋转。在其他实施例中，机械连杆组件和/或机械振动系统100可以直接连接至衬套100以使衬套100朝着和背离工件振动。在工作中，机械振动系统102通过使衬套100朝着和背离熔池32(例如，工件)移动来周期性地加长焊条28行进到熔池32必须经过的路径。以此方式，机械振动系统102可以用于从熔池32断开或去除焊条28(例如，衬套100)以帮助以受控制的方式形成液滴22。机械振动系统102还可以操作以调节或控制焊接操作的状态。例如，机械振动系统102可以工作以允许或改善焊接操作在电弧状态与短路状态之间的切换。

如下详细所述的，具有本文公开的机械振动系统102的制造工具20可以以基本上固定的频率和/或以一体式工具头44的有限的行进距离操作。因此，可以增加增材制造过程的简单性，同时显著降低工具20和机械振动系统102的制造成本。例如，公开的机械振动系统102允许在低焊接电流下形成液滴22。如可以理解的，在其他实施例中，机械振动系统102可以具有其他元件。例如，代替电动机110、活塞104和凸轮106，机械振动系统102可以是包括线圈、磁体、其他机械连杆组件等的电磁系统，以允许一体式工具头44或者其他结构部件以及因此与一体式工具头44连接的衬套100的振动运动。

如上所述，图示的机械振动系统102(例如，机械连杆组件)包括：活塞104；连接至或固定地附连至一体式工具头44；凸轮108，连接至活塞104；和电动机110，被配置成驱动凸轮108的旋转。在某些实施例中，电动机110的操作可以由控制器42控制和/或调节。由于电动机110驱动凸轮108旋转，凸轮108的旋转将致使活塞104上下运动，如箭头112所示。因此，可以是轴衬、卡圈、气体喷嘴、接触焊嘴、气体扩散器、入口丝引导件的一体式工具头44或固定在活塞104上的其他部件也上下运动。这样，衬套100和焊条28朝着和背离熔池32地移动。如可以理解的，可以基于凸轮108的大小和/或几何形状选择一体式工具头44的行进距离。

当一体式工具头44向上振动时，衬套100和焊条28背离熔池32地被牵引，并且随着一体式工具头44向下振动，衬套100和焊条28朝着熔池32向下移动。当然，在机械振动系统102工作并且向上和向下移动一体式工具头44时，朝着熔池32向下持续地供给焊条28。因此，焊条28可以具有总行进距离，如图5的曲线图122中的线条120所示。如可以理解的，线条120的波峰对波峰振幅124可以代表机械振动系统102(例如，活塞104和一体式工具头44)的行进距离。线条120的总行进距离的逐渐增大可以归因于焊条28通过送料器24的恒定输送。

如上所述，围绕焊条28布置衬套100，并且由一体式工具头44保持并支撑衬套100。因此，当机械振动系统102使一体式工具头44振动时，一体式工具头44以类似方式直接地使衬套100振动，但是不会直接地使焊条28振动。为了帮助促进焊条28的振动，也可以选择衬套100的大小以便允许焊条28振动。

图6A和图6B中示意性地示出了衬套100和焊条28的振动。未示出一体式工具头44和机械振动系统102。在图6A中，一体式工具头44和机械振动系统102尚未使衬套100和焊条28向上振动。换句话讲，在图6A中，衬套100和焊条28朝着熔池32完全向下延伸。然而，在图6B中，衬套100和焊条28被图示为由于机械振动系统102的振动而从熔池32缩回。具体地讲，衬套100和焊条28缩回距离124(即，图5中所示的波峰对波峰的振幅)。如可以理解的，衬套100与焊条28之间会存在间距或间隙130，因为衬套100是围绕焊条28布置的套管或包鞘。当选择凸轮108的大小和/或机械振动系统102的其他部件的大小和几何形状时可以考虑此间隙130。具体地讲，当衬套100通过一体式工具头44和机械振动系统102被直接缩回时，衬套100会由于衬套100与焊条28之间的间隙130而首先缩回，而焊条28不会类似地缩回。一旦衬套100直接缩回一初始量，衬套100和焊条28会彼此接触并且摩擦地接合，从而也允许焊条28缩回。为了确保焊条28缩回所需的量(即，距离124)，当选择机械振动系统102的部件(如凸轮108)的大小和几何形状时，可以考虑衬套100的初始缩回以及衬套100与焊条28之间的间隙130。在某些实施例中，可以使衬套100与焊条28之间的间隙130最小化以提高衬套100和焊条28的振动运动的一致性和精度。

机械振动系统102的固定频率和固定距离操作实现增材制造工具20更大的简单性以及大为降低的成本，并且因此无法很大程度地定制。然而，通过调节、调整或者以其他方式控制增材制造工具20的电力可以实现对增材制造工具20的操作的定制和修改。在某些实施例中，可以控制电源54使得在焊条28上施加恒定的电流。具体地讲，如果机械振动系统102从熔池32撤回焊条28的距离124足够大，焊接电流会保持在固定水平。固定的电流水平可以较低，但是足够大到熔化焊条28并且在某个时间形成一个液滴22。低的恒定电流也无法引起熔池32的搅动。

然而，在其他实施例中，一个或多个简单的动态变化可以被施加至焊接电流。例如，控制器42可以调节电源54的操作以调节焊接电流的不同的动态特性。例如，可以使用动态波形，但是变化可能较小以维持简单性和低成本。例如，当通过机械振动系统102将衬套100和焊条28缩回时，控制器42可以增大电源54供应的电流。在此时增大电流可以有助于形成下一个液滴22，有助于减小重新粘附到焊条28的熔池32振动的可能性，和/或增大可以与下一个液滴22一起沉积的焊条28的量。

当机械振动系统102使衬套100和焊条28朝着熔池32向后振动时，电流会随着焊条28靠近熔池32(例如，通过控制器42)而减小。减小电流可以有助于减小焊条28由于焊条28尝试与熔池32接触而烧掉的可能性并且/或者减小焊条28和下一个液滴22与熔池32接触并且被熔池32“排斥”的可能性。在其他实施例中，当衬套100和焊条28朝着和/或背离熔池32振动时，电流可以维持在大体低于(例如，至少低1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％)系统10的峰值电流水平的水平。

在形成下一个液滴22之后并且当机械振动系统102即将再次背离熔池32振动时，可以保持减小或进一步减小电流以进一步减小熔池32搅动。当机械振动系统102(以及衬套100和焊条28)背离熔池32往回振动时将电流保持为低(例如，大体低于峰值电流水平，如此前所述)也有助于使新形成的液滴22留在熔池32中。更具体地讲，在短路期间可以保持电流很低，并且在短路消除之后可以短暂地增大电流以形成液滴22。如上所述，就在焊接操作的状态变化之前(例如，就在短路或起弧之前)电流也可以保持为低。在某些实施例中，这可以伴随着恒电压。在形成液滴22之后，当机械振动系统102使焊条28再次远离熔池32地振动时，电流被减小以减少对熔池32的搅动。

为了使机械振动系统102和电源54的操作同步以实现上述操作，传感器72可以包括在特定时间检测一体式工具头44的位置的位置传感器或其他类型的传感器。例如，传感器72可以检测一体式工具头44、活塞106、凸轮108、衬套100、焊条28或其他部件的位置。基于一个或多个检测的位置，控制器42可以调节电源54的操作以使得电源54的电流输出为针对焊条28的特定位置的所需的水平。也可使用其他类型的传感器来检测其他工作参数，其也可以用于使机械振动系统102和电源54的操作同步。例如，可使用一个或多个传感器72来检测电源54和/或电动机110的电压和/或电流(例如，并且因此检测焊接操作的状态，如短路或起弧)。传感器78可以检测其他操作参数，例如机械振动系统102、电源54和/或电动机110的操作阶段、焊接电弧的存在、短路(每秒的短路)、电动机110的角速度、送丝速度、电弧长度、清除事件、短路事件、起弧事件、状态变化或增材制造系统10的其他工作参数。

图7是机械振动系统102的实施例的立体图，图示了具有活塞104、凸轮108和电动机110的机械连杆组件。如上所述，衬套100可以通过销106或其他连接特征固定在活塞104上。随着电动机110驱动凸轮108旋转，以振动方式驱动活塞104上下运动，从而使衬套110和焊条28上下振动。因此，焊条28朝着和背离熔池32地移动。以此方式，机械振动系统102允许操作增材制造工具20(例如，焊接工具)的简单且节约成本的方法。

在另一个实施例中，接触焊嘴随着衬套100一起移动。这种情况下，接触焊嘴具有比衬套更高的摩擦力并且便于更严格的控制。此外，此运动还与生俱来地改变从接触焊嘴的电流传导点到焊缝的距离。然而，当接触焊嘴处于主要固定位置时，接触焊嘴中的电流传导点与焊缝之间的距离几乎恒定。在任一种情况下，达到了从熔化的焊缝缩回焊丝的关键效果。类似地，在其他实施例中，衬套100可以与气体喷嘴、卡圈、轴衬或包围或连接至衬套100的其他结构部件一起移动。

尽管本文中说明并描述了本公开的仅仅某些特征，但是本领域的技术人员可以进行许多修改和变化。因此，要理解的是，附加权利要求旨在涵盖落入本发明的真正精神范围内的所有这种修改和变化。